耕作措施与WUE.docx

1、耕作措施与WUE黄土高原半干旱雨养农业区保护性耕作对WUE影响及机制研究（一）立项依据与研究内容1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）1.1研究意义1.1.1提高黄土高原半干旱雨养农业区降水生产效率意义重大干旱是一个全球性的问题。世界上干旱和半干旱地区遍及50多个国家和地区，总面积约占地球陆地面积的34.9%（寒带除外）。提高水分生产效率，实现水资源的可持续利用是世界各国共同面临的紧迫任务。中国人均水资源占有量不足世界人均水平的1/4，居世界1

2、09位，是典型的贫水国。黄土高原地区是我国重要的农区，半干旱雨养农业区多年平均降水量390.9mm, 且主要集中在6-9月，春旱十分突出，降水非生产性消耗多，休闲效率低下。降水又是唯一的水资源，因此，作物生产受到干旱的严重威胁，土地生产力水平低而不稳，亟待提高降水的生产效率。1.1.2传统农业对土地的不合理利用是造成黄土高原地区水土流失严重的原因主要之一黄土高原是我国水土流失最严重的地区，也是世界上水土流失最为严重的地区之一1。黄土高原80%左右为丘陵山地与丘陵沟壑，地面起伏不平，切割严重，黄土质地疏松，抗蚀能力差，植被覆盖度低，降雨集中且主要以暴雨形式降落是造成水土流失严重的原因之一2。而传

3、统农业对土地的不合理利用则是又一主要原因：1) 传统农业进行土壤翻耕，使得土壤的表层和亚表层相互分离，表层肥沃土壤容易被水冲走，形成严重的水土流失；2)传统农业多次翻耕耙耱整地，且要整得越细越好，降水过程中土壤空隙容易被细小的土粒堵塞，使雨水入渗速率降低，表土积水，形成径流，引发强烈水土流失；3)多次土壤耕作常常破坏土壤结构；4)除了作物生长期以外，耕地表面长时间裸露，土壤水分蒸发极其强烈，水分利用效率低下，疏松裸露的表土也很容易发生水蚀。另外，传统农业大量的秸秆及畜粪用作燃料，有机质不仅不能返还农田参加物质循环，而且造成空气污染。进入21世纪以来来，随着对黄土高原水土资源退化问题的广泛认识，

4、我国政府已在政策上作了大的调整，其中一个方面就是退耕还林还牧3。退耕的确有利于保护水土资源，但对于长期以种植业为主的农区，大面积退耕确实需要付出社会的和经济的代价2，所以退耕的只是陡坡地，种植业仍然占有重要比重。因此传统农业必须寻求新的发展方向以提高土地生产力水平，缓解生态危机，修复生态损伤，保护生态环境。1.1.3保护性耕作能够提高降水生产效率，减少水土流失保护性耕作（Conservation tillage）是美国在上世纪30年代发生黑风暴以后为保持水土而逐渐研究和发展起来的先进耕作技术4。很多研究表明，应用保护性耕作技术可以增加水分入渗量5, 6；增强土壤团粒结构及其稳定性7-9；减少水

5、土流失、提高水分利用效率10, 11，特别是在干旱、半干旱地区，保护性耕作能够通过减少径流、蒸发及增加入渗而增加土壤贮水量12-14，而显著提高作物产量及作物水分利用效率15-17；增加土壤生物多样性，特别是增加土壤中蚯蚓的数量18。因此，在黄土高原半干旱雨养农业区推行保护性耕作对保护农田生态环境、提高天然降水的生产效率都具有重大意义。1.1.4保护性耕作对水分利用效率的影响机制亟待探索降水的高效利用除采取工程措施以提高水分利用率外，提高作物水分利用效率（WUE）是实现高效用水的中心和潜力所在19。WUE指作物消耗单位水分所生产的同化物质的量。WUE的高低受到雨水到达地表后初次的分配，土壤中水

6、分的保蓄与散失、田间耗水结构、作物的蒸腾效率等诸多方面的影响。简言之，WUE就是降水、土壤水、蒸腾水（即“三水”）转化的结果。尽管国内外有关耕作措施对水分利用效率的影响枚不胜举，在黄土高原地区保护性耕作的研究一开始就涉及到了其对水分利用效率的影响16, 20, 21，但都重在结果，机理、基础研究相对比较薄弱，针对水分利用效率形成过程即“三水”转化的研究则少之又少。从不同因素影响WUE的结果来看，作物群体WUE的高低仅取决于群体产量和蒸散量。但是，蒸散量高并不一定WUE低，产量高、降水量高也并不一定WUE高，在作物生长发育的不同阶段群体耗水量与干物质积累的关系（阶段WUE）与最终群体WUE并不相

7、同，为什么呢？究其原因，不同栽培方式和田间管理措施在不同阶段对降水、土壤水和作物蒸腾水（“三水”）之间的转化的影响各异。这就是不同因素影响WUE的内在机制，亟待探索。明确黄土高原半干旱雨养农业区不同耕作措施对“三水”转化过程的影响及其与WUE关系，探讨保护性耕作影响WUE的内在机制，既能丰富水分利用效率研究的理论，也能为该区保护性农业的发展提供理论依据。为此，本研究拟以2001年建立的保护性耕作长期定位试验为依托，拟通过详细的降水、土壤水分、地表蒸发、蒸腾、WUE等方面的监测和计算，结合该试验历年WUE相关数据的分析，明晰不同耕作措施对“三水”转化的影响及其与WUE的关系，探讨保护性耕作影响W

8、UE的内在机制，旨在为该区保护性耕作的发展提供理论依据，从而促进保护性耕作的发展，提高有限降水的生产效率，促进该区农业的可持续发展。1.2 国内外研究现状及发展动态分析1.2.1作物水分利用效率概念的发展WUE是用以描述植物产量与消耗水量之间关系的名词，随着科学技术的发展而发展。20世纪初，Briggs和Shantz等22-24开始了作物的需水量的研究，他们用需水量来表示水分利用效率，指为了生产一个单位的地上部分干物质量或作物的产品所用的水量，它虽然表明为植物生长所必需的一定水量，但是实际上它只表示在当时的环境条件下生产一定量的干物质从叶子所蒸腾的水量，再加上植物所保持的那部分水分。Widts

9、o25用蒸腾比率一词来表示水分利用效率，这个名词与需水量的区别只是不包括植物体所保持的那一小部分水分而已。1969年Tranquillini将光合速率与蒸腾速率之比称为蒸腾生产率，又称蒸腾效率，用以表示水分利用效率26。1976年Begg和Turner定义WUE=产生的干物质量/耗水量，耗水量包括植物蒸腾和蒸发量，这个词比蒸腾比率更符合农林生产实际，因为在田间和林地，棵间蒸发与植物蒸腾难以分别测定26。70年代以后，学术界多采用水分利用效率，它是消耗单位水量所生产的单位面积产量，能直观地比较不同作物或同一作物不同条件下的用水效率。在旱地上，作物降水利用率也可以作为衡量WUE的指标27。作物水分

10、利用效率是评价作物生长适宜度的综合生理生态指标，水分利用效率研究既包括区域水分平衡、农田水分再分配、作物本身用水等不同方面，也包括作物群体、个体、单叶、细胞等不同层次，以及自然降水、灌溉水等不同范畴28。群体水平上的WUE直接与作物的产量或生物产量有关，因而与生产实际的结合最为紧密29。在田间群体水平上，作物的水分利用效率是指作物消耗单位水分所形成的干物质量或经济产量（Y），常用产量与耗水量(ET)的比值来表示：WUE=Y/ET。1.2.2保护性耕作的研究现状与发展动态保护性耕作（Conservation Tillage）是一个技术体系，美国和澳大利亚讲的保护性耕作主要内容是：通过地表秸秆残茬

11、覆盖，少免耕，合理轮作，合理施肥等综合措施，为作物创造良好的生态环境30。在我国，保护性土壤耕作包括一系列技术措施，如坡耕地上的等高耕作法，适宜于川台塬坝和水平梯田的沟垄耕作法，残茬覆盖耕作，地膜覆盖，沙石覆盖，少免耕，风沙土区的垂直主风向耕作等防风防蚀耕作措施31。2003年国际土壤耕作组织（International Soil Tillage Research Organization）第16届学术研讨会上，Jose R. Benites等人将保护性耕作扩展为保护性农业（Conservation Agriculture，简称CA），认为保护性农业是为了解决由犁耕或锄地而引起的土地退化、土壤

12、肥力和生产力水平下降、有限水资源利用效率低和沙化等问题而发展起来的技术体系，有四条基本原则：（1）覆盖。（2）减少土壤耕作次数。（3）固定机具田间作业道。（4）应用作物轮作系统32。国际上所谓机械化保护性保护性耕作是美国在上世纪30年代发生黑风暴以后为保持水土而逐渐研究和发展起来的先进耕作技术4。保护性耕作对提高土壤利用的可持续性及其潜力的贡献是无争论之余地的33。保护性耕作也有利于保证很多国家(如拉美、欧亚、非洲等)人口不断增长形势下的粮食安全34。另外，与传统耕作相比，保护性耕作因为耕作次数的减少能明显降低农业生产投入而倍受发达国家农民的青睐35。因此，近年来保护性耕作研究引起了世界不同国

13、家和地区的广泛关注10, 36-38等。所以，尽管保护性耕作技术是在北美洲发展起来的，现在已经在南美、澳大利亚、欧洲等地得到了广泛的应用。目前全球各类保护性耕作技术应用面积已经达到了106万hm239。南美洲保护性农业面积在过去16年中增加了50倍40。许多国家研究认为，采取保护性耕作有利于减轻土壤的水蚀和风蚀，保持地力长久不衰、降低土壤耕作带来的生产成本、减少化肥与农药使用量、减轻农业环境污染、提高作物产量的作用，这是保护性农业得以迅速发展的主要原因18, 41, 42。将来，随着农民耕作理念的转变，保护性农业发展速度还会进一步提高。我国关于保护性耕作的研究开始较早，西北干旱半干旱地区早在明

14、朝就开始将沙石覆盖在地表以保持土壤水分在干旱条件下进行作物生产。但对现代机械化我国对保护性耕作的探索始于20世纪80年代初，当时借鉴国外经验，开展了免耕、深松、覆盖等单项技术的试验和研究工作，但由于我国长期倡导中国传统的精耕细作，虽然免耕覆盖技术的试验研究取得了令人满意的生产成效，但没有形成大的应用环境。从1992年开始在山西省引入和借鉴澳大利亚保护性耕作技术，从2001年起由甘肃农业大学与澳大利亚阿德莱德大学等单位合作在甘肃西部黄土高原地区也进行了积极的探索17, 40。十一五期间，科技部科技支撑计划项目“保护性耕作技术研究与示范”分别在东北黑土区、西北黄土高原区、农牧交错风沙区、华北平原、

15、南方稻田进行了保护性耕作技术的集成研究与示范。研究表明，保护性耕作在我国是可行的，是解决生态环境问题、实现增产增效、促进旱区农业可持续发展的先进耕作技术14。据不完全估计，中国各种保护性耕作面积已达近2.8亿亩，约占实际耕地面积的14%。1.2.3耕作方式对土壤水分、农田蒸散及作物水分利用效率的影响研究现状与发展动态对土壤耕作方式与土壤水分关系的研究国内外有大量的研究报道，20世纪70年代以前，由于理论水平和测定手段的限制，研究工作主要集中在作物根区土壤含水量的变化，并且一般假定下界面出流量为零，采用水量平衡方法估算作物蒸散量。70年代以后，水势的概念逐渐由理论（其理论在70年代以前就已提出）

16、向实际应用方面发展。80-90年代以后，研究重点集中在土壤水分运动、水分利用率和水分利用效率等方面。黄高宝等43研究认为保护性耕作能够显著改善0200cm土层土壤贮水量及含水量，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强。在降水较少年份免耕秸秆覆盖的这种作用表现突出，而在降水充沛的年份免耕地膜覆盖则更具优势。李玲玲等44研究了黄土高原西部旱农区传统耕作措施和五种保护性耕作措施对土壤水分垂直分布、动态变化、作物耗水量、水分利用效率及作物产量的影响。邓忠等45研究了采用固定道耕作结合垄作沟灌并进行秸秆覆盖的方法春小麦的产量水分效应，结果表明：固定道耕作秸秆覆盖处理在全生育期垄体保持了较好的水分，水分

17、利用效率较传统耕作提高3.4 %。几乎所有的研究都认为秸秆覆盖、免耕等保护性耕作措施能够提高耕层含水量及水分利用效率。90年代以后国内开始试图将土壤棵间蒸发与作物蒸腾分开研究。王会肖等46研究表明冬小麦覆盖对蒸发的抑制率高达50%；另外还对冬小麦留茬与传统耕作夏玉米棵间蒸发进行了研究，表明麦茬对玉米田土壤蒸发的抑制作用一直延续到玉米成熟，抽雄前留茬对土壤蒸发的抑制率为52.3%，而抽雄后仅为19.0%，整个生育期内平均为34.7%。而康绍忠研究认为，作物蒸腾在总蒸发中所占的比例取决于提供到作物冠层和棵间土壤表面的净辐射以及各部分的传输阻力。谢森传47在研究的基础上首先利用Penman公式计算出

18、潜在蒸散量，根据作物系数和作物覆盖度划分出作物棵间蒸发和作物蒸腾。许迪等48根据宏观吸水模型假设和根系函数确定了冬小麦、夏玉米的实际蒸腾速率，并估算了作物实际棵间蒸发。王会肖研究认为，秸秆覆盖能减少土壤蒸发的原因是降低了到达土壤表面的辐射和风速49。张喜英等50秸秆覆盖下夏玉米的蒸散及水分利用效率进行了研究，结果表明，覆盖处理的棵间蒸发量小于无覆盖处理，特别是在生长初期。覆盖减少了60%的土壤蒸发。另外覆盖和无覆盖条件下，棵间蒸发占总蒸散量的比例分别为30%和15-17%，覆盖的反而高。分析原因认为是无覆盖条件下，棵间蒸发占总蒸散量的比例极大地受叶面积指数的影响，其间的关系可用下式表示：E/E

19、T= e-0.5932LAI（R2=0.9478）；另外还发现，用秸秆对行距大的作物进行覆盖，其减少土壤蒸发的效果更为明显，留茬(30-35cm)是特殊覆盖耕作措施之一51。而张海林等52研究认为，蒸发占总蒸散的比例，以翻耕最高，免耕最低，而且全生育期翻耕比例为53.49%，而免耕为35.48%。此结论与张喜英的研究结果恰恰相反。可见，目前关于这方面的研究结果还不一致。总之，增加作物有效水分含量和减少蒸发损失是提高雨养农业系统水分利用效率的可行途径。17, 38, 53-55。有研究表明，保护性耕作可以减少径流56，减少蒸发消耗57, 58，增加入渗量5, 59，而且在很多情况下还可以提高作物

20、产量60, 61。因此，采用适宜的保护性耕作措施可以提高雨养农业系统的水分利用效率（雨水利用效率）62-64。但是即便是在90年代以后，也几乎没有研究从降水-土壤水-作物蒸腾水-降水这一水分运转途径阐明耕作措施影响WUE的机制。综上所述，国内外有关不同耕作措施对土壤水分及水分利用效率的研究很多，但绝大数研究仅局限于耕作措施对土壤水分及WUE的影响结果，机理、基础研究相对比较薄弱。从不同因素影响WUE的结果来看，作物群体WUE的高低仅取决于群体产量和蒸散量。但是，蒸散量高并不一定WUE低，产量高、降水量高或土壤含水量高也并不一定WUE高，在作物生长发育的不同阶段群体耗水特征与干物质积累的关系（阶

21、段WUE）并不相同。究其原因，不同耕作方式和秸秆管理措施在不同阶段对降水、土壤水和作物蒸腾水（“三水”）之间的转化的影响各异，其结果体现在作物群体最终WUE上。因此，亟待从“三水”转化入手，突破水分利用研究的瓶颈，从而为半干旱雨养农业区小麦、豌豆等主要作物水分利用效率、降水利用率及生产力水平的提高奠定基础。主要参考文献：1) Fu, B.-J., Soil erosion and its control on the loess plateau of China. Soil Use and Management, 1989. 5: p. 76-82.2) Zhang, Q.-J., et al

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27、r conservation tillage in a dry land spring wheatfield pea rotation system. 2006, 甘肃农业大学博士论文: 兰州. （项目组论文）14) Li, L., et al., Benefits of Conservation Agriculture on Soil and Water Conservation and its Progress in China. Agricultural science in China, 2011. Artical in press （项目组论文）15) Erenstein, O.,

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